单相变频电源论文.doc

2013吉林化工学院电子设计竞赛单相正弦波变频电源学生姓名：王双、包祥亮 王涛、张正秋 专业班级： 电气工程及其自动化指导教师： 刘刚 职 称： 副教授 起止日期： 2013.9.12013.9.3 吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology3013吉林化工学院电子设计竞赛- I -目 录第1章 绪论及设计方案11.1 变频电源的发展11.2变频电源现状及意义11.3 方案的选择11.4 设计方案2第2章 MSP430F169单片机简介32.1 MSP430F169单片机结构32.1.1 MSP430系列单片机的特点32.1.2 MSP430单片机结构概述32.1.3 MSP430系列单片机主要部件的功能32.1.4 PIO端口32.2 MSP430F169单片机结构42.3 单片机基本时钟系统42.4 单片机定时器介绍52.4.1 看门狗定时器52.4.2 定时器A简介62.5单片机模数转换模块介绍82.5.1 A/D转换器概述82.5.2 8路A/D转换器的使用82.6 IR2111芯片介绍9第3章 系统硬件结构介绍113.1直流电源电路113.2 单片机主系统电路123.3 显示电路133.4 按键电路133.5 变频主电路133.6 巴特沃斯低通滤波电路14第4章154.115第5章16结 论17参考文献18- 17 -第1章 绪论及设计方案1.1 变频电源的发展变频电源发展趋势经历大约30年的研发与应用实践，随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频电源的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频电源的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。变频电源性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响，二要看对电网的谐波污染和输入功率因数，三要看本身的能量损耗即效率如何进入八十年代，大规模和超大规模的集成电路技术迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础，将集成电路的精细加工和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件。首先是功率MOSFET的问世，是中小功率电源像高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管IGBT的问世，又为大中型功率电源向高频化发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世，是传统电力电子向现代电力电子转换的标志，新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善，使现代电力电子技术不断向高频化发展，为用电设备高效节能节材，实现小型化，机电一体化，和智能化提供了技术基础。1.2变频电源现状及意义理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。当今国际上先进的变频电源是采用IGBT逆变输出技术，用先进微处理器控制设计而成的高性能精密电源，它具有过流、短路、过压、欠压、过载等保护及报警故障显示功能，确保用电设备及变频电源安全。具有负载适应性强，输出波形品质好，良好的人机界面，操作简单，体积小，重量轻等特点。正弦波输出，可调输出电压及频率的变频电源为用电设备提供了所需要的交流电。变频电源是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频电源而得到迅猛发展。随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，可靠性不断提高，进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化。1.3 方案的选择方案一 采用集成半桥驱动芯片集成半桥驱动芯片采用自举电容对高边MOS管进行驱动，例如IR公司的IR2111，Linear Technology公司的LTC1160，采用该方案只需在芯片外围接少量元件就能完成一个半桥驱动简化电路，便于调试，工作可靠性高。缺点是成本较高。方案二 采用分立元件驱动分立元件对高边MOS管的驱动也采用自举电路，但由于采用分立元件增加系统的复杂度，不便于调试，并且工作可靠性不高。优点是成本较低。方案三 采用隔离电源驱动采用隔离电源对高端MOS管进行驱动，由于采用了隔离电源，高边驱动和底边驱动的原理相似，驱动电路简洁，且在一定程度上提高系统抗干扰性能。但由于系统采用了隔离电源，是系统在整体上复杂，且成本会相应的提高。综上所述，我们选择方案一，采用两片IR2111芯片驱动逆变器。1.4 设计方案单相正弦波变频电源，输出电压有效值为20V，最大负载电流有效值为2A。变频电源框图如图1-1所示：图1-1 变频电源框图第2章 MSP430F169单片机简介2.1 MSP430F169单片机结构2.1.1 MSP430系列单片机的特点MSP430系列单片机是德州仪器公司于上世纪九十年代开发出的产品，已在许多领域得到了广泛应用。MSP430系列单片机具有以下主要特点：1）超低功耗。2）强大的处理能力。3）高性能模拟技术及丰富的片上外围模块。4）方便高效的开发环境。5）系列化产品。2.1.2 MSP430单片机结构概述1）16位CPU通过总线连接到存储器和外围模块。 2）直接嵌入仿真处理，具有JTAG接口。 2.1.3 MSP430系列单片机主要部件的功能1）CPU：MSP430系列单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。具有较高的执行速度和效率，增强了MSP430系列单片机的实时处理能力。 功能：（1）内部：执行指令译码、数据处理；（2）外部：通过三总线（地址总线、数据总线和命令总线）控制片内所含外设模块。2）存储器：存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息。分为程序存储器和数据存储器。MSP430F413的F是指该单片机采用FLASH型程序存储器。2.1.4 PIO端口PIO端口是并行输入输出端口，8位。MSP430单片机PIO端口特点：1）类型丰富：P1，P2，P3，P4，P5，P6，S和COM。2）功能丰富：I/O，中断能力，其它片内外设功能，驱动液晶。3）寄存器丰富：P1与P2各有7个寄存器，P3、P4、P5、P6有四个寄存器。具有中断功能的数据输入、输出端口P1和P2和寄存器符号和功能如下所述（以P1口为例）：1）P1IN：输入寄存器；2）P1OUT：输出寄存器；3）P1DIR：方向选择寄存器，为1位输出，为0位输入；4）P1IFG：中断标志寄存器；5）P1IES：中断触发沿选择寄存器；6）P1IE：中断使能寄存器；7）P1SEL：功能选择寄存器。没有中断功能的数据输入、输出端口P3、P4、P5和P6寄存器符号和功能如下所述（以P3口为例）：1）P3IN：输入寄存器；2）P3OUT：输出寄存器；3）P3DIR：方向选择寄存器；4）P3SEL：功能选择寄存器。2.2 MSP430F169单片机结构MSP430系列单片机是德州仪器公司于上世纪九十年代开发出的产品，已在许多领域得到了广泛应用。其中MSP430F169是TI公司进入中国市场的MSP430F系列单片机中功能最强的芯片。具有60K程序存储区、2K的数据存储区、8路快速12位A/D转换器、双路12位D/A转换器，两个通用连续同步/异步通信接口(USART)、I2C、DMA数据传送模块和48个I/O口等外围模块。结构框图如图2-1所示。图2-1 MSP430F169单片机结构框图 2.3 单片机基本时钟系统一般来说，单片机的时钟系统必须满足下列要求：1高频率，用来系统硬件需求，运算和外部事件的快速响应。2低频率，用于降低系统的电流消耗。3稳定的频率，以满足定时的需要。MSP430F169单片机的基本时钟系统由高速晶体振荡器，低速晶体振荡器，数字控制振荡器等部件构成。各个振荡器产生的时钟信号可以通过软件的设置分配到ACLK辅助时钟，MCLK主系统时钟，SMCLK子系统时钟三路重要的时钟信号通道上。在此单片机系统中，时钟源分为低速晶体振荡器（32768Hz）和高速晶体振荡器（8MHz）两种。ACLK时钟信号通道接入32768Hz的时钟，MCLK和SMCLK两路时钟信号通道接入8MHz的时钟。MSP430F169单片机为64引脚封装，48个数字I/O，其中大部分引脚有复用功能。MSP430F169单片机外形图如图2-2所示。图2-2 MSP430F169单片机外形图2.4 单片机定时器介绍2.4.1 看门狗定时器在由单片机构成的系统中，由于单片机的工作有可能会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，从而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统便无法继续工作，这样会造成整个系统陷入停滞状态，发生不可预料的后果。看门狗电路设计的本意是在软件程序执行过程中，若发生程序“跑飞”故障，则电路强行使软件重新启动，恢复正常工作状态。随着器件质量的提高，此类故障发生机率极小。因此，在MSP430单片机中又赋予了该电路第二种功能，即定时器功能。由于看门狗电路中断优先权高，并默认在启动状态，在编程时应先确定其工作模式。看门狗定时器的使用是通过设定看门狗定时器控制寄存器WDTCTL的控制字来完成。WDT由辅助时钟fACLK驱动(其频率为32KHz)。作为定时器时，定时时间可分为1000ms、250ms、16ms和1.9ms四个时间间隔。2.4.2 定时器A简介在MSP430系列单片机中带有功能强大的定时器资源，这定时器在单片机应用系统中起到重要的作用。利用单片机的定时器可以用来实现计时，延时，信号频率测量，信号触发检测，脉冲脉宽信号测量，PWM信号发生等等。MSP430F169单片机中定时器A基本结构是一个十六位计数器，由时钟信号驱动工作，结构框图如图2-3所示。图2-3 定时器A结构框图定时器A功能模块主要包括：1计数器部分：输入的时钟源具有4种选择，所选定的时钟源又可以1、2、4或8分频作为计数频率，Timer_A可以通过选择4种工作模式灵活的完成定时/计数功能。2捕获/比较器：用于捕获事件发生的时间或产生时间间隔，捕获比较功能的引入主要是为了提高I/O端口处理事务的能力和速度。不同的MSP430单片机，Timer_A模块中所含有的捕获/比较器的数量不一样，每个捕获/比较器的结构完全相同，输入和输出都取决于各自所带控制寄存器的控制字，捕获/比较器相互之间完全独立工作。3输出单元：具有可选的8种输出模式，用于产生用户需要的输出信号，支持PWM输出。MSP430F169单片机中定时器A有四种工作模式，分别为停止模式、增计数模式、连续计数模式和增/减计数模式。停止模式用于定时器暂停，并不发生复位，所有寄存器现行的内容在停止模式结束后都可用。当定时器暂停后重新计数时，计数器将从暂停时的值开始以暂停前的计数方向计数。例如，停止模式前，Timer_A工作于增/减计数模式并且处于下降计数方向，停止模式后，Timer_仍然工作于增/减计数模式，从暂停前的状态开始继续沿着下降方向开始计数。如果不需这样，则可通过TACTL中的CLR控制位来清除定时器的方向记忆特性。增计数模式中，捕获/比较寄存器CCR0用作Timer_A增计数模式的周期寄存器，因为CCR0为16位寄存器，所以该模式适用于定时周期小于65536的连续计数情况。计数器TAR可以增计数到CCR0的值，当计数值与CCR0的值相等(或定时器值大于CCR0的值)时，定时器复位并从0开始重新计数。增计数模式的计数过程如图2-4所示。通过改变CCR0值，可重置计数周期。图2-4 增计数模式示意图在需要65536个时钟周期的定时应用场合常用连续计数模式。定时器从当前值计数到单增到0FFFFH后，又从0开始重新计数如图2-5所示。图2-5 连续计数模式示意图需要对称波形的情况经常可以使用增/减计数模式，该模式下，定时器先增计数到CCR0的值，然后反向减计数到0。计数周期仍由CCR0定义，它是CCR0计数器数值的2倍。计数器的计数过程如图2-6所示。 图2-6 增/减计数模式示意图2.5单片机模数转换模块介绍2.5.1 A/D转换器概述将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称A/D转换器）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称D/A转换器）；A/D转换器和D/A转换器已成为信息系统中不可缺少的接口电路。将连续变化的模拟信号转变为计算机能进行处理数字信号的电路称为A/D转换电路，大量使用在测量（万用表）和计算机构成的控制系统中。为了提高精度、降低成本将A/D转换电路集成到一个芯片中，称为A/D转换芯片。（1）A/D转换芯片根据转换原理分类A、积分型；B、逐次比较型；C、并行比较型；D、串并行比较型；E、-调制型等。（2）分辨率和测量值1、分辨率：数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为量程与2n的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。量程通常由A/D转换器选用的参考电压确定，MSP430F169的A/D参考电压可选Vcc或内部设定的2.5V参考电源。2、测量值：测量值=分辨率转换数值MSP430F169单片机内部集成了8通道12位的A/D转换器。通过读取A/D转换器寄存器得到转换结果。A/D转换的主要特点：采样速度快，最高可达200ksps；12位的转换精度，1位非线性微分误差，1位非线性积分误差。转换器使用：进行A/D转换通常需要设置的内容有：转换通道、采样保持、参考电压、转换时钟、转换模式、结果缓存。2.5.2 8路A/D转换器的使用ADC12使用片内2.5V稳压源作为参考电压，执行A0至A7八个通道的A/D转换。每次转换结果分别存于ADC12MEM0至 ADC12MEM7存储寄存器中。读A/D转换结果时，将转换结果存于变量中，在下面的程序中随意使用。ADC12初始化程序清单如下： P6SEL = 0xff; / 使能A/D输入通道 ADC12CTL0 = ADC12ON+MSC+SHT0_8+REFON+REF2_5V; / 接通ADC12 ADC12CTL1 = SHP+CONSEQ_3; / 使用采样定时器 ADC12MCTL0 = INCH_0+SREF_1; / 片内参考源 ADC12MCTL1 = INCH_1+SREF_1; / 片内参考源 ADC12MCTL7 = INCH_7+SREF_1+EOS; / 片内参考源 ADC12CTL0 |= ENC; / 使能转换 ADC12CTL0 |= ADC12SC; / 启动转换读出A/D转换数据程序清单：NUM_AD0 = ADC12MEM0; NUM_AD1 = ADC12MEM1; NUM_AD7 = ADC12MEM7;2.6 IR2111芯片介绍IR2111是功率MOSFET和IGBT专用栅极驱动集成电路, 可用来驱动工作在母线电压高达600V 的电路中的N沟道功率MOS器件。采用一片IR2111可完成两个功率元件的驱动任务，选用IR2111芯片能对前面送进的PWM波分成两路反相的讯号，从而进行后面元件的驱动。IR2111内部结构图如图2-7，引脚图见图2-8。图2-7 IR2111内部结构图图2-8 IR2111引脚图引脚介绍：1脚：Vcc 是给IR2111 供电的电源, 一般为15V2脚：IN 是控制信号的输入端, 输入等效电阻很高, 可直接连接来自前面触发电路的PWM波3脚: COM是接地端4,7脚：HO、LO 分别是上、下管控制逻辑输出端6脚：Vs 是高压侧悬浮地8脚：Vb 是为高压侧悬浮电源端基于IR2111的驱动放大电路见图2-9。图2-9 IR2111的驱动放大电路第3章 系统硬件结构介绍3.1直流电源电路整个系统由15V，5V，和24V直流电源供电，电源电路包括单相桥式整流电路，滤波电路和稳压电路。电路设计框图如图3-1所示。图3-1 直流电源设计框图整流电路作用是利用单向导电器件将交流电转换